天奈科技——CNT之光

天奈科技

1. 所处行业

天奈科技是一家主要从事纳米级碳材料（碳纳米管）及相关产品的研发、生产及销售的公司。所处的行业为锂电池中的导电剂中的碳纳米管导电浆料行业。

碳纳米管（CarbonNanotubes,CNTs）是一种同轴管状结构的碳原子簇（类似于树木年轮环），其管径与管之间相互交错的缝隙都属于纳米数量级，根据管壁的层数可以将CNTs分为单壁碳纳米管（SWCNTs）和多壁碳纳米管（MWCNTs）。碳纳米管自被发现以来就因为其优异的电学、力学、化学等性能，在多项领域中显示出巨大应用潜力。目前主要是两个应用方向：（1）在锂电池领域，碳纳米管凭借优异导电性能，被广泛应用于锂电池新型导电剂（2）在导电塑料领域，碳纳米管凭借其优越的导电性能和力学性能，用来提升导电塑料的导电性和结构强度，已经显现出巨大的应用价值。

1.1行业简介

1. 导电剂行业

（a）导电剂的作用简介

在锂离子电池正常的充放电过程中,需要锂离子、电子的共同参与，这就要求锂离子电池的电极必须是离子和电子的混合导体，电极反应也只能够发生在电解液、导电剂、活性材料的接合处。而事实上，锂离子电池的正极、负极活性材料的导电性都不佳：正极活性材料多为过渡金属氧化物或过渡金属磷酸盐，它们多为半导体或绝缘体，导电性较差；负极石墨材料的导电性稍好，但在多次充放电后石墨材料会膨胀收缩，石墨颗粒的间隙增大，影响

电极反应。导电添加剂的作用就是在具体活性物质之间、活性物质与集流体之间收集微电流以减小电极的接触电阻，加速电子的移动速率，从而提升电极的充放电速率并保证电池良好的充放电性能。

简而言之，导电剂就是电子、离子之间的“润滑剂”，减少“摩擦”，提升“移动速度”，减少“移动损耗”。

（b）导电剂的种类

导电剂可以按颗粒状导电剂和纤维状导电剂两种形态分类，传统的导电剂包括炭黑（KB）、乙炔黑（AB）、石墨（KS），高端导电剂则主要包括纳米碳纤维（VGCF）、碳纳米管（CNT）和碳纤维（GN）等，如图1。

图1：导电剂分类图

颗粒状导电剂是指以零维的形态，与活性物质进行点与点的接触；纤维状导电剂是指与活性物质进行点线接触或者点面接触的。而不同类型导电剂由于空间结构、产品形貌、接触面积不同，其导电性能和对锂电池能量密度、倍率性能、寿命性能和高低温性能影响不同。用通俗的语言表达即为：导电剂与活性材料接触越广，导电性能越好。而几种材料之间由于各有优劣，所以目前市面上经常采用复配的方式，调配出更优质的导电剂。（具体差异在后文“各技术路线之间的优劣势分析”中分析）

图2：不同导电剂形态与接触方式

1. 各技术路线之间的优劣势分析

首先，根据天奈科技招股说明书、GGII的研究 告，以及《浆料配方与电阻率的关联性探究》一文，总结导电剂的几个关键的指标：使用效果的优劣（包括导电性能、循环寿命、倍率性能、分散能力）、经济性（包括单位价格、添加量、是否依赖进口），下文我们讲围绕着这两个点分析。

1. 使用效果

根据GGII的研究 告可知：导电剂的核心为电阻率，电阻率越低，导电性能越好。循环性能（寿命）&倍率性能（快充）为增强方向，旨在让锂电池更“好用”。

电阻率：电阻率实验数据图3所示：

图3：目前市面上流行的导电剂及导电剂组合电阻率对比

根据上图实验结论可知，CNT(指碳纳米管)&石墨烯复配为最佳。

从电阻率的角度分析：CNT&石墨烯复配>SP&石墨烯复配>CNT>科琴黑>SP>石墨烯。

倍率性能：根据《电池工业》论文的研究结果，论文选取了市面上的主流材料，进行了对比，具体结果如图4所示：（随着放电电流（X轴）的增大，容量率（Y轴）随之下滑的比例低，说明倍率性能好）

图4：LFP&NCM811倍率性能比较

CNT：在磷酸铁锂和NCM811中均体现出优异的倍率性能，在NCM811效果更佳，以3C倍率放电保持率仍能达到90%。?

KS6（导电石墨）：倍率性能较差，0.5C容量保持率即降至最低点。

SP（导电炭黑）：在磷酸铁锂中的倍率性能较差，在3C的放电电流下保持率只有60%，而在NCM811材料体系下3C倍率放电下保持率有90%。?

GN（石墨烯）：3C及以上倍率，石墨烯片层结构锂离子传输阻碍较为明显，化学阻抗影响占主导。

因实验得出结论，从倍率性能的角度分析

NCM（三元）体系下：SP≈CNT≈SP&CNT复配>KS6>GN

LFP（磷酸铁锂）体系下：CNT≈SP&CNT复配>SP>KS6>GN

循环性能：具体结果如图5所示：（随着循环次数（X轴）的增大，容量率（Y轴）随之下滑的比例低，说明循环性能好）

图5：LFP&NCM811循环性能比较

因实验得出结论，从循环性能的角度分析：GN&CNT复配>CNT≈SP&CNT复配>KS-6>GN

分散性：对于锂离子电池而言，均匀非常重要的，均匀不仅仅指的结构上的均匀性，更加指的是温度、电流等物理场的均匀性。结构上的不均匀，特别是电极内导电剂和活性物质的不均匀会导致电流分布的不均匀，进而影响电极不同部分的SoC状态，导致电池衰降速度的加快。电池内部的温度不均匀，也就是我们常说的温度梯度，会导致电池内部温度高的地方阻抗比较小，因此电流分布较多，这也就导致了电池内部不同部分之间的衰降速度不同，而加入的导电剂如果不够分散，也会导致难以做到在电极内部均匀的分散，这也会对锂离子电池的性能出现显著的影响。（德国布伦瑞克工业大学的HenningDreger等人对炭黑导电剂分散性，以及后续的碾压工艺对电池的性能影响进行了深入的分析，研究表明炭黑颗粒的分散程度会对电极的阻抗和倍率性能出现显著的影响）

所以，分散性对于导电剂来说是十分重要的。但目前市面上没有实验或者数值可以量化分散性的难易程度，因此各技术方向的分散性较难比较，影响分散性的主要因素在于导电剂的结构，例如：颗粒型、结构较小的导电石墨较容易分散；炭黑的结构较大，虽然也是颗粒型，但仍较难分散；石墨烯因为其以面接触活性物质的方式，导致了其导电性最佳，但其分散性也是最难的；而碳纳米管导电剂也是需要预分散的，这也形成了一个较强的技术壁垒，后续在竞争壁垒中介绍。

1. 经济性

单位价格：根据券商统计的导电剂价格比较，具体如下所示：

图6：导电剂粉体价格

添加量：导电剂添加量需适量：太低会导致电子导电通道不足，不利于大电流充放电；含量过高则会降低活性物质的相对含量，使电池容量降低。根据GGII统计数据，几种导电剂的添加比例如下所示：

图7：导电剂添加量

虽然新型导电剂粉体价格比传统导电剂要高许多，但要达相同导电性能，用量仅为传统导电剂的1/6~1/2。加上其导电性能极佳，能使锂电池循环过程中保持良好的电子和离子传导，从而大幅提升锂电池的循环寿命，符合锂电池特别是动力锂电池对更高能量密度的要求。

截至2021年，以天奈科技为例，公司通过优化工艺和规模优势，碳管单吨生产成本降低至6万元/吨，售价降低至25万元/吨，目前炭黑市场 价10.75万元/吨（含税）。以磷酸铁锂为例，根据券商测算，CNT导电剂添加成本为578.75万元/Gwh，炭黑导电剂添加成本为660.70万元/Gwh，CNT导电剂成本相比炭黑导电剂已经低了12.4%，同时更能提升电池能量密度、快充快放、循环寿命等性能，性价比凸显。下游动力电池高镍化以及硅碳使用量提升，加之市场对快充技术的推广与应用加快，CNT导电剂渗透率提升有望加速。（根据现有材料，目前行业内只有天奈科技可以做到单GWH的成本低于炭黑导电剂，主要也是因为公司的规模效应+技术壁垒）

是否依赖进口：在碳纳米管等新型导电剂出现前，炭黑类、导电石墨类和VGCF等传统导电剂在锂电池中已经应用多年，技术已经相当成熟。市场上主流的传统导电剂如SP、乙炔黑、科琴黑、KS和VGCF等主要来自于美国卡博特（Cabot）、瑞士特密高（TIMCAL）、日本狮王（Lion）、日本电气化学和日本昭和电工等企业。这些国外企业控制着传统导电剂的市场话语权，因此中国锂电池企业在锂电池导电剂方面长期处于依赖进口的状态。

根据高工产研锂电研究所出具的数据显示，我国锂电池导电剂市场的国产化率已经由2014年的12.9%提升2018年的31.2%，呈现逐年稳步提高的趋势。且进口的主要以传统导电剂为主，新型导电剂目前国产化率较高，国内前三名碳纳米管导电企业的市场占比超过60%。截至2021年，预计国产化率已经超过50%。

根据上述关键指标，总结出以下表格：

图9：导电剂情况总结

根据上述讨论得出的结论，且根据公司招股说明书等信息，总结出以上导电剂的优劣势对比。我们可以看到，从使用效果开看，CNT（碳纳米管）和GN（石墨烯）是最优秀的，原因主要是其与活性材料的接触方式（详情请看图2）。从经济性看，目前CNT和GN比KS和SP贵上许多（详情请看图6），但使用量仅为后者的1/6~1/2，从单GWH的成本来看，目前天奈科技已经可以做到比炭黑便宜。同时碳纳米管更能提升电池能量密度、快充快放、循环寿命等性能，性价比凸显。因此，可以得出结论，新型导电剂（CNT、GN等）会对传统导电剂（SP、KS等）在锂电池的应用中，有快速替代的趋势。并且由于GN非常难以分散，目前其必须与CNT搭配使用。

由以上分析可得，CNT与GN等新型导电剂会是导电剂未来的发展和内部替代的方向。而GN由于其结构，导致了其注定极其难以分散，这导致GN在锂电池中的应用受到限制。

1.2竞争格局

1. 导电剂的竞争格局

从整体市场角度出发，导电剂行业受益下游动力市场快速增长，各导电材料出货量稳步增长，其中碳纳米管由于更优异的导电性能渗透率呈现稳定增长趋势。以出货量为标准，2021年碳纳米管导电剂渗透率达到27%，而我们在前文也介绍过，碳纳米管是属于用量少，但价格贵的产品。从出货量看导电剂行业的CNT渗透率为27%，但从销售额的角度看，CNT的渗透率预计超过了50%。

图10：以出货量的角度计算市场占有率

目前导电剂行业的主流用途有两个，一是用于动力电池，二是用于消费电池。（以下两图数据均来自于高工产研锂电研究所（GGII），《2019年碳纳米管及碳纳米管导电剂行业市场调研 告》）

我们先看动力电池领域。我们可以看到，目前国内主要以两个方向的动力电池导电剂为主，一是炭黑，二是CNT。而由于碳纳米管导电材料相较于炭黑拥有更好的导电性以及更少的用量，对电池循环寿命以及倍率性能有较大提升，因此伴随动力电池对能量密度、循环寿命的需求提升，碳纳米管逐步替代炭黑成为动力锂电池的主流导电剂。预计在2023年CNT的渗透率会达到82.2%（以销售额为标准）。

图11：以2014-2023年动力电池用导电剂渗透情况及预测

从消费电池的角度出发，随着高端智能手机、可穿戴设备、无人机等对数码电池导电性能要求的提升，碳纳米管导电浆料在数码电池领域的渗透率未来有望呈现稳定增长趋势。2018年碳纳米管导电浆料在数码电池中渗透率达18.0%，预计到2023年将达31.9%。并且与动力电池相似，消费电池的导电剂行业也一直是以两个方向的导电剂为主，一是炭黑，二是CNT，只是因为消费电池相比于动力电池，对于高使用寿命、高循环倍率等性能方面的需求较低，而虽然天奈科技目前可以做到CNT价格低于炭黑，但行业内只有他能做到，其余目前都没有这个规模效应，同时天奈科技产能受限，在消费电池端来看，炭黑目前还是更有经济性，所以预计碳纳米管的渗透率提升会比较缓慢。

图12：以2014-2023年数码电池用导电剂渗透情况及预测

1. 碳纳米管的竞争格局

目前碳纳米管行业集中度高，龙头企业地位稳固，竞争格局明晰。据数据，按出货量口径计算，2017年行业CR4为74.0%，2020年CR4为81.5%，行业集中度高且集中趋势明显。2021年，江苏天奈的市场份额稳占第一，为43.4%，且在几年时间里，不断的提升市占率。龙头地位稳固。市场份额占据前五的企业还包括集越纳米、卡博特、道氏技术（青岛昊鑫）和无锡东恒，市场份额分别为15.3%、11.9%、10.9%和5.1%，竞争格局明晰且稳定。并且我们可以看到天奈科技凭借技术和客户等优势巩固优势，市占率已然接近半壁江山。而随着更多企业进入碳纳米管行业，未来二线企业面临竞争可能加剧。

图13：2017年CNT行业竞争格局

图14：2021年CNT行业竞争格局

而同行业的产品对比、成本对比、售价对比等，将在2.3产品及成本分析中详解。产能对比在2.4供需关系—（1）行业产能中详解。

二、公司

2.1公司发展历史

（1）公司初创期（2007-2010年）

2007年4月天奈科技前身开曼天奈成立，与清华大学签署基于纳米聚团流化原理批量制备高纯度碳纳米管（第一代）相关发明专利永久性独占许可协议；2007年6月，开曼天奈投资设立北京天奈，公司开始研究如何将纳米聚团流化床制备碳纳米管的方法实现产业化，同时探索碳纳米管在下游不同领域的商业化应用。

（2）醉心研发期（2011-2018年）

开发出碳纳米管导电浆料产品，成功实现碳纳米管作为导电剂在锂电池领域的商业化应用阶段。公司结合产业化实际情况不断改良制备方法、优化制备工艺并自行开发了关键的生产设备，成功实现第一代碳纳米管产品从实验室公斤级到工业化吨级连续生产的突破，大幅降低了碳纳米管的生产成本。同时，针对碳纳米管以粉体导电剂的形式在锂电池电极材料应用中无法被有效分散的难题，尝试了多种分散设备及优化了适合于锂电池领域的分散剂，开发出碳纳米管导电浆料产品，成功将碳纳米管通过浆料形式导入锂电池应用领域（第一批尝试将CNT导入锂电池应用的企业），实现了碳纳米管浆料产品的产业化及商业化应用。

同时，2015年公司自主开发了第二代碳纳米管长度可控的定向生长催化剂，生产的第二代碳纳米管长径比更大，导电性能更佳，并于2017年7月申请了相关技术的发明专利。第二代产品2016年开始批量供货，2018年成为主流。

2017年公司自主开发了第三代以尖晶石为主的复合结构催化剂，除进一步提高碳纳米管的长径比以外，同时提升了产品的碳纯度，导电性能更优异，2018年开始小批量供货，并于2019年1月申请了相关技术的发明专利。并且公司于2017年实现了三代碳纳米管产品生产从吨级再到十吨级连续化生产的技术突破，进一步降低了碳纳米管产品的生产成本。

（3）上市、扩产、享受成果期（2019年至今）

第一次扩产：2019年9月公司于科创板上市，募集资金7.95亿元于建设6,000吨碳纳米管+18,000万吨导电浆料（第一代和第二代）+2,000吨导电母粒+300吨纳米碳材+900吨副产物氢产能，预计2023年投产。

第二次扩产：2021年公司在美国内华达州里诺市全资设立天奈科技（美国）有限公司，以此在当地建立“年产8,000吨碳纳米管导电浆料生产线项目”，满足北美市场的需求，项目总投资5,000万美元，折合人民币32,500万元，预计2023年投产。

第三次扩产：2021年拟通过可转债募集资金8.3亿元用于建设50,000吨导电浆料+5,000吨导电塑料母粒+3,000吨碳管纯化加工产能，预计2024年投产。

通过前期长期的技术积累，公司自上市后，不断新扩张产能，2023年，会进入公司的产能加速释放期，规划产能居行业首位。

总结：公司乃至行业的历史发展历史较短，行业基本遵循着科技和制造行业的基本规律在运行，目前行业处于快速扩张产能的快速发展期。

2.2公司股权及高管结构

下图是公司的股权结构图，公司核心团队在碳纳米管材料研究领域经验丰富，实际控制人为郑涛、严燕、张美杰、蔡永略。郑涛为公司第一大股东，持股10.28%；郑涛、蔡永略和张美杰为一致行动人，三人合计占股13.29%；实际控制人四人合计占股16.55%。郑涛、严燕、张美杰均为技术出身，为国内外重点高校硕博，进入天奈科技前均拥有丰富的新能源材料行业经验。

图15：天奈科技股权结构图

2.3产品及成本分析

公司2021年碳纳米导电浆料产品营收占比99.36%，公司碳纳米管粉体仅少量供给Apple、Google等国外客户用于研发，大部分为内部领用作为导电浆料的原材料.。

下图为最新的2021年年 信息，主要从行业、产品、地区三个维度分析公司的毛利率变化情况。从总体来说，毛利率下滑严重，2021年度，公司主营业务毛利率为33.89%，公司主要产品平均成本上涨。受市场竞争加剧、下游新能源汽车行业补贴下降、原材料涨价等因素影响，公司综合毛利率未来可能会继续下降，对公司未来业绩带来不利影响。

从行业来看，营收占比最大的动力锂电池业务，因为整体行业的高速发展，毛利率下滑程度较低，仅下滑1.54%。但储能业务和消费锂电池业务，毛利率下滑的比较严重，且我们可以看到，近三年来，公司的毛利率都处于下降区间。以非锂电池业务和储能锂电池业务的毛利率下滑的最严重

图17：天奈科技毛利率

从产品角度看，粉体业务依然保持较高的毛利率，而是占比99.36%的浆料业务毛利率下滑，这基本是可以说明，是由于浆料业务的原材料涨价导致（后续详解）。

接下来我们将从公司的生产流程开始介绍，区分清楚碳纳米管粉体和碳纳米管浆料，而后分析产品的性能、价格、成本等。

1. 生产流程

首先第一步，公司会先制作出碳纳米管粉体，这个步骤是公司最主要且最核心的。

图18：碳纳米管粉体制作过程

催化剂制备：根据碳纳米管生产需要，制备不同类型的催化剂，此步骤为碳纳米管生产的核心步骤，碳管的结构（主要是长径比，长径比越大，导电性能越好）决定了其导电性能。碳管粉体的生产逻辑是原材料在催化剂催化下进行生长，目前在学术上的理论指导是催化剂寿命决定了碳纳米管的长度，其尺寸决定了碳纳米管的直径乃至壁数，通常二者呈正相关关系。

碳纳米管粗粉制备：将催化剂放入碳纳米管反应器，再将丙烯、氮气等按照一定比例、气流速度导入，在高温条件下生长得到碳纳米管粗粉；

粗粉纯化：根据产品的型号和定位，对不同产品进行不同的纯化工序，其中高温氧化主要除去碳纳米管粗粉中无定型碳杂质；

提纯、石墨化：主要除去碳纳米管粗粉中催化剂金属杂质，将碳纳米管粗粉进行纯化工序后，即可得到碳纳米管纯粉；

粉碎：将制得的碳纳米管纯粉至于粉碎机内进行粉碎，制备得到分散性较好的碳纳米管粉体。

最后，将碳纳米管粉体经过下图流程，生产为最终产品——碳纳米管浆料。如下图所示：

图19：碳纳米管浆液制作过程

首先要按照一定比例将分散剂和溶剂（NMP/去离子水）进行搅拌，使得分散剂与溶剂充分融合，随后加入一定比例的碳纳米管粉体，充分搅拌均匀至碳纳米管粉体在溶剂中预分散；然后将预分散好的浆料投入砂磨机进行分散；最后制备得到分散均匀的碳纳米管导电浆料。

这是由于碳纳米管粉分散性差、容易发生团聚，导致在应用过程中导电、导热性等大幅不及预期，公司是在将CNT粉体与NMP、分散剂等进行混合，以浆料形式向下游客户销售。

分散技术的核心在于分散剂的选择、分散方法和设备的使用。由于碳管难分散，分散工序为碳纳米管提供进一步增值空间，进一步提升了碳管的单吨盈利。

整个流程相对较长，普通碳管粉体+分散生产周期约8天~10天，高端碳管粉体+分散生产周期可超20天，技术壁垒较高，存在一定的Know-how。

1. 行业/公司内部产品性能对比分析

（a）行业间产品性能对比

碳纳米管的管径、长度以及纯度是其影响导电性能的三个核心指标。碳纳米管管径越细，长度越长，碳纯度越高，导电性能越好。碳纳米管长径比的提高能够进一步提高锂电池的倍率性能，并可以通过更少的添加量来提升正极活性物质含量，从而提升能量密度。同时，金属杂质（尤其是铁）会加大动力锂电池的自放电而增加了电池的安全隐患，动力锂电池对碳纳米管导电剂的纯度要求更高。

如下图所示，从已披露数据上看，只有三顺纳米的GCNTs5，从这三个维度上能与公司的第三代产品抗衡。